项目文章解读丨PBJ（IF=10.5）丨赤霉素一键控育！ZmKO1解锁玉米低成本两系制种新模式

一分钟导读

利用杂种优势是玉米产量提升的核心路径，但现有的杂交制种技术各有短板：传统去雄工艺成本高且易损伤母本；化学杀雄造成环境污染且药效不稳；细胞质雄性不育（CMS）与转基因不育体系则分别受限于种质单一化和生物安全缺陷。同时，玉米赤霉素生物合成关键基因ZmKO1、ZmKO2的体内功能及其与雄性育性调控机制尚不清晰，导致业界始终缺乏稳定、非转基因、且可通过外源化学调控实现育性转换的两用不育新材料。2026年2月，四川农业大学兰海、曹墨菊团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“Engineering a Gibberellin-Switchable Dual-Use Line Based on Ent-Kaurene Oxidase Gene ZmKO1 Enables Two-Line Hybrid Seed Production in Maize”的研究论文，揭示了利用赤霉素合成关键基因ZmKO1创制新型双用核雄性不育系，并成功建立玉米两系杂交制种新系统的重大成果。

发表单位：四川农业大学玉米研究所

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子： 10.5

发表时间：2026年2月

论文链接 ：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70608

维百瑞检测采用高效液相色谱 - 串联质谱（HPLC-MS/MS）系统为其提供植物激素测定服务

核心试验结果

1.def1不育基因定位与功能验证

大田表型观测显示野生型正常开花散粉，def1完全雄性不育，颖壳永久闭合、花丝不伸长、花药无法伸出，但株型、雌穗吐丝结实均无异常。雄穗小孢子各时期石蜡切片表明，def1小孢子发生过程与野生型无差异；I₂-KI、亚历山大染色、离体萌发实验证实突变花粉形态、活力与野生型无显著区别。def1分别与B73、Mo17、黄早四杂交 F₁全部可育，F₂群体则按照可育：不育=3:1进行分离，证明def1由单个隐性核基因控制。

图1 def1突变体与野生型WT表型比较

最初由BSA定位的def1位于9号染色体上；利用4213株不育F2单株精细定位，缩小至idp8与SNP2之间1.24 Mb 区间，该区段包含ZmKO1、ZmKO2两个KO候选基因。测序对比发现：def1的ZmKO1第1外显子插入5202 bp片段，转录后19 bp野生序列被82 bp片段替换，发生移码突变，蛋白从508个氨基酸截短至46个。构建ProUbi::ZmKO1互补载体转化玉米，T0阳性株与def1杂交F2群体中不育个体比例大幅下降；基因型鉴定证实携带过表达载体的ZmKO1纯合突变株育性完全恢复。利用CRISPR/Cas9敲除ZmKO1获得3种纯合突变株，均重现def1不育表型；EMS突变株ZmKO1第6外显子无义突变，纯合个体雄穗开花严重受阻。互补、敲除、等位突变三重试验证明ZmKO1功能缺失直接引发def1雄性不育。

图2 def1突变体基因克隆

2. 赤霉素调控育性分子机制

亚细胞定位显示ZmKO1定位于质体，与叶绿素自发荧光共定位；GUS染色证明ZmKO1仅在雄穗浆片特异性表达。HPLC-MS/MS 结果表明def1雄穗贝壳杉烯酸、绝大多数内源GA含量显著下降，仅内源GA₃小幅上升；外源喷施GA₁、GA₃、GA₄、GA₇均可完全恢复花丝伸长、花药散粉。GA₃喷施后突变体内GA₃提升610.97倍、GA₁提升38.09倍，GA₄、GA₇无明显变化。野生型、未处理def1、GA₃处理def1三组雄穗转录组筛选出1826个共同差异基因，两组对比中表达趋势完全相反，GO富集“激素响应”、KEGG 富集植物激素信号通路；其中7个SAUR家族基因在def1显著下调，GA处理后恢复高表达，是GA调控花丝伸长核心下游基因。

图3 ZmKO1的功能表征

3. ZmKO1与ZmKO2功能分化

ZmKO1突变/敲除株仅苗期短暂矮，成株株高、穗位、节长与野生型无差异；ZmKO2在营养期高表达，构建双靶点敲除株，全生育期严重矮化、花药无花粉。苗期赤霉素定量显示ZmKO2敲除突变体中贝壳杉烯酸、GA₁、GA₃、GA₄、GA₇含量大幅下降，外源GA₃喷施可完全恢复矮化表型。证明两个基因均参与赤霉素合成，但分工不同：ZmKO2主导营养生长，ZmKO1特异调控雄穗花丝发育。

图4 ZmKO1和ZmKO2对玉米株高的影响

4.多遗传背景两用不育株系创制

研究者通过分子标记辅助回交转育和CRISPR/Cas9基因编辑技术，衍生了不同自交系背景下def1不育系（Zheng58-def1、DH351-def1、B104-def1等系列株系）。这些株系在自然条件下都表现为雄性不育，外源喷施GA3后花丝正常伸长、花药顺利散粉，自交授粉可正常结实。上述结果表明def1为赤霉素合成缺陷型雄性不育，基于ZmKO1可创制不同遗传背景下雄性不育两用系。

图5 基于ZmKO1的双用途GMS品系的表型特征分析

5.GDL两种体系落地

筛选最优GA₃施用浓度150 mg/L；田间操作规程：60%植株吐丝傍晚喷施，间隔3天补喷一次，遇雨后天晴仍可正常散粉。以不育系为母本、常规自交系为父本配组，杂交组合株高、穗型、产量等性状与野生型配组无差异；最终建立完整赤霉素可控两用系（GDL）制种工艺，并成功用于川单99规模化杂交制种。

图 6  基于ZmKO1的双用途GMS系的传播

图7 使用基于ZmKO1的双用途GMS品系进行杂交种子生产

文章总结

本研究植物激素测定由维百瑞检测提供

本研究从空间诱变玉米群体分离得到def1隐性核不育突变体，通过图位克隆、基因回补、CRISPR/Cas9敲除多重验证，确定ZmKO1功能缺失是该突变不育的根本原因。研究纠正前人体外实验结论，证实玉米ZmKO1、ZmKO2均具备贝壳杉烯氧化酶活性，但二者功能高度分化：ZmKO1特异调控雄穗花丝赤霉素合成，突变仅苗期短暂矮化、花粉正常但无法散粉；ZmKO2主导营养生长，敲除后植株全程严重矮化且无花粉。外源喷施GA₃可完全恢复def1育性，其机制为GA上调 SAUR 家族基因促进花丝伸长。借助分子标记回交与CRISPR/Cas9编辑，在多骨干自交系中创制ZmKO1型两用不育株，全国多生态区鉴定表明其育性转换稳定，且不影响产量等农艺性状。最终建成无转基因、低成本的GDL赤霉素可控玉米两系制种体系，大幅规避人工去雄、转基因、温敏不育各类弊端，并成功应用于川单99规模化杂交制种，为玉米及近缘作物育种提供全新技术方案。

植物激素检测平台：

维百瑞检测依托高效液相色谱-三重四极杆质谱联用系统（HPLC-MS/MS），构建了先进的植物激素分析平台。该平台融合了色谱的高效分离能力与质谱的高选择性和高灵敏度优势，并在多反应监测（MRM）模式下运行，可有效排除基质干扰，实现高通量、高精准度的同步检测。目前，平台已覆盖生长素、赤霉素、油菜素内酯等10大类植物激素，充分满足科研与生产中的多组分分析需求。

优势：

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